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上海博迅医疗生物仪器股份有限公司生物安全柜的检测

[导读]]目前生物安全柜的检测项目主要有两方面: (1) 工作舒适度指标, 包括噪声、照度等; (2) 安全性指标, 包括洁净度 (尘埃粒子数) 、气流模式、下降气流风速、流入气流风速等。而构成生物安全柜安全性的基础,

目前生物安全柜的检测项目主要有两方面: (1) 工作舒适度指标, 包括噪声、照度等; (2) 安全性指标, 包括洁净度 (尘埃粒子数) 、气流模式、下降气流风速、流入气流风速等。而构成生物安全柜安全性的基础, 本人认为主要是:一是高效过滤器对流入或排出空气的有效过滤;二是柜体内层流气流的合理分布[6]。而合理的结构和优化的流入气流速度、下降气流速度是形成真正层流气流的核心要素。国内外标准的主要安全性指标比较情况见表1, 其中风速大小和气流流向直接影响了生物安全柜的安全性, 要保证生物安全柜的安全受控, 除了各方向的气流风速需要达到规定范围值要求外, 气流也要满足定向稳定, 使实验区域处于“气流安全性能区”。

1.空间气流模式分析

本文讨论的II级生物安全柜, 也是目前实验室使用最普遍生物安全柜, 它是基于层流原理[7], 空气通过顶部的高效过滤器过滤后, 以一定的速率均匀层流层降, 流经工作台面以维持洁净度;同时工作窗面气流均匀向内, 形成具有一定风速的气幕流进前面的进口格栅。安全柜内前后形成负压区, 以防止柜内气溶胶外逸。生物安全柜的空间气流分布见图3。

 

(1) 气流模式的检验。气流模式检验是为了确定生物安全柜内的气流模式是否稳定均匀、方向性一致, 以保证柜内无乱流, 无外逸现象, 人员和样品均处于受保护状态。

目前气流模式的检验方法一般采用一次性发烟棒, 人为在多个检测区域和方向上进行发烟, 观察烟雾的流动情况。这种方法大大增加了系统外的人为扰动因素, 人体的胳膊进入柜内会造成气流的紊乱, 对气流模式的检测缺乏客观性。并且发烟棒的气体具有一定腐蚀性, 危害人员和环境。为有效解决实际检测中遇到的这些问题, 准确快速侦测特征气流的流向, 我们将便携式的烟雾发生器集合在自动定位巡线机器人的支架结构上, 根据实际检测高度和角度调整烟雾喷射口, 或扩展多个喷射口。检测机构的主体以轻便简单的支架为主, 在生物安全柜内定位和行走而不影响实际气流流动。在检测中根据制定的检测方案, 在工作区域中布置好的点位, 然后将指令输入到计算机并通过无线通信模块向定位模块发送指令, 巡线机器人在二维平台上进行走动, 并均匀稳定的喷射烟雾, 我们在机器人行走过程中观察气流模式的运行状况, 这样最大限度地避免了人为扰动等外界因素的干扰。

(2) 烟雾发生器的设计要求。研究微型的烟雾发生器是为有效解决外部干扰和烟雾有害的问题, 准确快速侦测标示气流。烟雾发生器的设计以微型化和便携式为主, 由干冰容器、微型风机和支架型发烟管构成[8]。发烟管的设计应适用于多角度、方便安装和拆卸, 并可多点布置喷射口。发烟的气体我们采用干冰为主要原料, 环保无害。

(3) 气流模式的分析。通过气流模式检验, 我们认为主要有两股气流会进入工作区。第一股气流由风机送出经HEPA过滤后以垂直下降模式流向工作区, 以保护样品。第二股气流是由前操作窗口向内吸入的负压气流, 以保护人员安全。利用巡线机器人搭载烟雾喷射口的设计思路避免了在检测时人体的手臂伸入, 可方便准确地观察侦测的标示气流, 不造成气流扰动, 有效地解决了方向性不一致和潜在的忙点区内的操作。通过对气流模式的检测分析, 可以帮助我们了解生物安全柜的正常运作情况, 判断风机是否运行正常, 以及下降气流流速和流入气流流速是否处于合理范围, 同时为我们对特征气流流速进行计量检测和优化提供参考。

2.气流流速的检测

(1) 气流流速的要求。目前生物安全柜主要有东联哈尔、力新、ESCO、LABCONCO、THERMO和NUAIRE等生产厂家, 国内外厂家执行的标准不同, 但考虑的主要性能指标是非常接近的。通过气流模式检验, 我们发现形成“气流安全性能区”必须保证气流流速大小处于标准规定的安全范围, 见表1, 如美国NSF/ANSI 49-2002标准中规定A2型Ⅱ级生物安全柜的流入气流流速不低于0.5m/s, 欧盟EN 12469:2000规定不低于0.4m/s, 而国内标准YY 0569-2005规定垂直下降气流流速在 (0.25~0.5) m/s, 流入气流流速不低于0.5m/s。气流流速必须保持在合适的范围, 风速太高就容易产生乱流扰动, 太低则柜内的污染物很容易逸出工作区, 从而削弱或破坏安全柜的防护作用。并且流入气流风速应大于垂直气流风速以避免了气溶胶的外逸, 并且保持垂直气流和进风气流交汇点的平衡, 这是生物安全柜的关键技术。

(2) 气流流速的智能化检测。目前, 关于生物安全柜的流速检测基本上是通过手持风速检测仪, 在特征气流处进行检测, 这样由于手臂的抖动以及检测仪对气流的扰动都会对结果产生较大的影响, 特别是在低风速情况下。国内外学者对生物安全柜气流流速进行了大量的研究[9], 如Melvin W.First和Janet M.Macher等人采用微生物法研究了前窗流入气流流速对气溶胶污染物的影响, 东华大学的赵明琪分析了下降气流与前窗流入气流的关系等, 但对风速自动检测装置的研究还少有报道, 为此我们通过探讨智能多通道风速检测仪和巡线机器人设计, 进一步将风速仪安装在机器人上在各测量点进行自动检测。

(1) 智能化多通道风速测量仪器主要包括测杆、主机和计算机软件。测杆上集成热敏电阻风速传感器[10]、测量电路及数据存储电路等, 测杆与主机通过数字信号进行通讯, 主机可同时扩展多根测杆并提供电源。主机与计算机采用无线通信, 将采集的数据传输至计算机进行处理, 由计算机软件实现风速测量和标定。这样可以完全消除数据连接线的干扰, 提高抗干扰能力以及多通道的扩展能力。仪器设计的总体结构框图如图4所示。

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